Почвоведы РУДН определили оптимальный размер почвенных пор для деятельности микроорганизмов

Типы почв отличаются друг от друга не только химическими свойствами, но и расположением, формой и размером пор. Хотя в любой почве есть и маленькие, и большие поры, их соотношение может быть разным. Более крупные поры (от 100 микрометров) заполнены воздухом и располагаются между почвенными комками, мелкие поры (10-100 микрометров) внутри комков заполнены водой. В порах обитают колонии микробов, которые отвечают за биохимические реакции, связанные с циркуляцией углерода, фосфора, азота и других химических элементов. Микроорганизмы улучшают плодородие и секвестрацию углерода в почве, и поэтому понимание, от каких именно параметров (в том числе размеров пор) зависит «благополучие» микроорганизмов, поможет земледельцам увеличить урожай.

Раньше распределение ферментов, которые выделяют почвенные микроорганизмы, связывали только с химическими и биологическими свойствами почвы. Однако физическое строение почвы также влияет на полезные микробные сообщества и, следовательно, на ферменты. Почвоведы РУДН впервые нашли оптимальные параметры почвенных пор для микробных сообществ. Для этого они рассмотрели поры с помощью почвенной 2D-зимографии — биохимического метода изучения активности ферментов, и рентгеновской компьютерной томографии.

Образцы почв пяти систем землепользования взяли с участков, которые подготовила для экспериментов Келлогская биологическая станция в штате Мичиган (США): почва, на которой выращивали только кукурузу (1); озую рожь (2); просо (3); гибридный тополь с травянистым подлеском, (4) и почва, на которой последовательно сменялись растительные сообщества в результате природных факторов или человеческой деятельности (5). Живых корней в образцах не было, то есть все ферменты производятся микроорганизмами.

Чтобы определить распределение и размер пор в почвах, образцы размером 5-10 сантиметров сканировали рентгеновскими лучами. Картирование активности ферментов проводили с помощью зимографии. На поверхность образцов помещали специальные мембраны с субстратами, которые при контакте выделяют флуоресцентные продукты. Эти продукты в ультрафиолетовом свете отображают активность ферментов. Исследовали ферменты, участвующих в обороте углерода, азота и фосфора в почве: целлобиогидролазы, ксилоназы, кислотной фосфатазы, β-глюкозидазы, лейцинаминопептидазы и N-ацетилглюкозаминидазы. Совмещение данных зимографии и компьютерной микротомографии позволило создать 3D-карты, которые визуализируют размеров почвенных пор и активность ферментов в неповрежденном почвенном образце.

Во всех исследованных образцах почвы – независимо от типа – больше всего ферментов (а значит и самая высокая активность микроорганизмов) наблюдалась в порах диаметром 60-180 микрометров. Следовательно, поры такого размера — идеальная среда обитания для почвенных микробов. В порах меньшего или большего размера активность все шести ферментов была меньше. В порах этого размера (60-180 мкм) распологаются целые микробные колонии, и доступ воды и кислорода оптимален. В порах этого размера (60-180 мкм) растёт больше мелких корней, что обеспечивает большее насыщение почвы легкодоступным углеродом. Таким образом, как и предполагали ученые , размер почвенных пор действительно влияет на распределение ферментов.

Эксперимент впервые подтвердил, что сочетание этих двух методов эффективно для изучения ферментов. В дальнейшем почвоведы планируют улучшить разрешение снимков и учитывать такие дополнительные факторы, как поступление свежего углерода, влажность и кислотность почвы. Это позволит получить более точные данные и усилить понимание биохимических процессов in situ — в том месте, где они и происходят, без какого-либо вмешательства.

Статья в журнале Soil Biology and Biochemistry